某政务中心超限结构设计

某政务中心超限结构设计

周岸虎,花夏,胡建

江苏南京    210019

江苏省建筑设计研究院股份有限公司

【摘要】江苏省政务服务中心及公共资源交易中心位于南京市汉中门大街与纪念馆东路交叉口东南角。本文主要介绍8层的新建政务及公共资源交易中心(二期)，采用框架剪力墙结构，不落地柱采用悬挑钢桁架转换。本结构有多项不规则，使用PKPM和MIDAS Building 分别建模比较；选取2条天然波和1条人工波后，使用选定的三条波对本模型进行多遇地震下的弹性时程分析，得到分析结构，然后将其与采用振型分解反应谱法的分析结果进行对比、根据分析比较结构进行包络设计；随后对结构关键构件进行性能化设计，并进行罕遇地震作用下的非线性响应分析与抗震性能评价，按照相应性能目标控制截面和配筋，并针对主楼2层楼面以及辅楼超长楼板进行温度应力分析，以及对南立面大跨幕墙结构进行专项分析。

【关键词】结构不规则；抗震性能化设计；动力弹塑性分析；防连续倒塌

1引言

为了满足建筑造型的需求，四项结构设计不规则项存在于江苏省政务服务中心及公共资源交易中心工程设计中，这导致本工程为特别不规则建筑，设计的难度较大。本文详细得描述了本工程项目的设计要点，他们分别是多遇地震的线弹性分析、关键构件的性能水准验算、罕遇地震的弹塑性分析以及设计难点的专项分析，希望类似工程的设计施工建设可以借鉴本工程的相关做法。

2工程概况

江苏省政务服务中心及公共资源交易中心位于南京市汉中门大街与纪念馆东路交叉口东南角。本工程共分两期，一期为原有体育馆改造，现已施工。本次设计范围为新建政务及公共资源交易中心(二期)。

本文主要介绍新建政务及公共资源交易中心(二期)结构设计的相关内容。建筑总面积约为10.2万平米，其中地下面积3.6万平米，地上面积6.6万平米。大楼南北向长约为115m，东西向宽度约为100m，平面呈扇形布置。新建大楼地下两层，地下一层高6.5m、地下二层高4.0m，主要为地下停车库，局部考虑平战结合为核六级甲级人防地下室（详人防设计图纸）；地上共八层（局部五层），一层高6.0m，二、三层层高4.5m，其余层高均为3.8m，总高度为34.30m。地上部分主要建筑功能为政务服务中心及公共资源交易。

3结构布置及超限设计

3.1结构布置

3.1.1结构体系

本工程采用钢筋混凝土框架剪力墙结构，南北向115m，东西向100m，未设置抗震缝。为满足建筑平面功能及立面造型，北面三~八层局部框架柱需要悬挑转换，采用钢桁架进行转换，转换桁架及楼层水平支撑计算时，楼层板按0厚板考虑，竖向及水平荷载传递路径明确、可靠，保证了关键构件计算的准确度及安全性。

3.2超限设计

本主楼工程有多项不规则项：

（1）平面不规则（扭转不规则），本工程X向最大位移/平均位移为1.29，Y向最大位移/平均位移为1.17，均大于1.2，属扭转不规则；

（2）二层凹进超过40%，属平面不规则；

（3）局部竖向构件不连续，针对此情况，本工程采用桁架转换竖向构件、楼层受剪承载力突变，竖向收进超40%，属竖向不规则；

（4）局部不连续，大开洞区域导致首层局部区域有柱无侧向支撑，为穿层柱；

针对本工程结构的多项不规则，为确保工程的安全和可靠，相关的模拟分析和重难点分析被采用。

4模拟分析

4.1整体弹性分析（振型分解反应谱法）

复杂工程需要不同的结构分析软件对工程进行分析，然后对比分析结果，本工程采用PKPM和MIDAS BUILDING两种软件，根据实际情况输入模型，主要计算模型参数见表1[3]，计算周期结果见表2。两种软件分别得出的结果进行对比分析，可以得出以下结论：

（1）本次分析结果，可作为该工程结构设计对比的根据：两种分析软件得出的模型基本相关结果非常接近，模型设计合理。

（2）模型的扭转周期比满足相关规范规定，小于0.85。

（3）层间位移角满足相关规范要求，在相关水平力的作用下，均小于1/800。

（4）结构不存在薄弱楼层，因为结构的楼层受剪承载力之比和结构的刚度比均小于规范规定的限值。

（5）主楼结构可忽略重力二阶效应，因为根据规范规定，本结构的双向刚重比均大于2.7。

表1主楼主要计算参数

表2 PKPM和MIDAS BUILDING主楼计算结果对比汇总表

4.2多遇地震弹性时程分析

本工程需要进行多遇地震弹性时程分析，根据规范相关规定，本工程的对应峰值加速度取值为35cm/s2，特征周期0.45s。根据设计条件，本工程选取符合条件的2条天然波和1条人工波进行分析，结果表明：

（1）与本工程模型振型分解反应谱法得到的结构基底剪力相比，选取的三条时程曲线计算所得的结构基底剪力均应大于其值的 65%，三条时程曲线计算所得的结构基底剪力平均值则应大于其值的 80%。

（2）弹性时程分析最大层间位移角限值满足规范要求。

（3）三条波的基底剪力包络设值小于SATWE振型组合法求得的楼层剪力，结构设计时以SATWE（CQC法）求得的楼层剪力进行设计。

（4）弹性时程分析结果中8层剪力两个方向包络值均略大于CQC法计算值，设计时薄弱层第8层内力乘以放大系数1.20，以保证结构的整体安全。

4.3结构抗震性能化设计

对于结构体系中的重点结构构件，按照结构抗震性能设计要求，需分别复核其在对应中震、大震作用下中的承载力。分析使用的PKPM计算参数详表3。

表3中震和大震计算参数表

结论：

（1）经验算钢管柱及转换桁架满足中震弹性要求；

（2）剪力墙抗剪满足中震弹性，抗弯满足中震不屈服要求；

（3）经中震不屈服验算，部分连梁和少数框架梁进入抗弯屈服，但没有发生剪切破坏。

（4）在中震作用下各构件的屈服顺序基本上是：（1）结构中的连梁；（2）部分框架梁；（3）最后才是竖向构件，但本工程的竖向构件并没有出现屈服情况。所以，整体结构可以满足“中震可修”的抗震设防目标。

4.4罕遇地震作用下的动力弹塑性分析

4.4.1计算模型

采用midas buliding程序建立主楼分析模型。为验证计算模型的准确性，PKPM和midas buliding两个模型的动力特性及质量吻合很好，后者模型满足动力弹塑性的分析要求。

4.4.2选择地震波

弹塑性时程分析地震波采用所选的两条天然波TH1TG050、TH7TG050和一条人工波RH1TG050。

4.4.3结果分析

结构弹塑性动力时程分析结果，由表4结果可知，根据三组地震波作用后的计算分析结果，结构的层间位移满足了规范的相关要求， “大震不倒”这一抗震设防要求得到了满足。“强柱弱梁”的延性设计要求和“梁铰破坏”机制得以实现：本工程墙和柱脚在罕遇地震作用下未出现明显屈服；部分在核心筒范围内的剪力墙连梁和部分框架梁屈服。

表4罕遇地震下层间位移角及层剪力表

4.4.4小结

（1）本工程在进行罕遇地震波时程分析后可以得出以下结论：结构并没有发生整体性倒塌，且柱和剪力墙等主要抗侧力构件仅发生了可控的破坏，大部分连梁和少部分框架梁进入屈服耗能状态，结构整体是安全可靠的，在大震作用下结构整体性能满足“大震不倒、不严重损坏”的要求；

（2）在罕遇地震作用下，结构的整体破坏形态过程可描述为：结构重点部位的连梁迅速进入塑性，且损伤迅速发展逐步累积；然后结构部分位置的框架梁参与耗能，进入塑性阶段，但结构总体上仅发生了有限的塑性损伤；仅顶部部分框架柱进入屈服阶段。地震作用结束时，底部加强部位的部分墙体发生了较大程度的损失，但剪力墙并未发生全截面进入屈服状态的情况，大震不屈服的要求基本得到了满足；

（3）在罕遇地震作用下，整个框架塑性损伤超过开裂强度水准的构件仅为部分部位的框架梁，超过屈服强度水准的框架梁更为少数；绝大部分框架柱的塑性损伤程度并未达到开裂强度水准，进入屈服阶段的柱为极少数；从总体上来看，主体结构的第二道设防体系是非常富裕的；

（4）罕遇地震作用下，底部加强区墙体剪应变较大，最大正应力为7MPa，未压溃，施工图设计中对底部加强区墙体按抗剪中震弹性，抗弯中震不屈服设计；

（5）罕遇地震作用下，转换斜撑部位无塑性铰出现，转换桁架按中震弹性设计；

（6）罕遇地震作用下，结构楼层位移角最大值为1/259小于 1/100 ，满足抗震设防性能目标要求；

（7）综上所述，结构抗震工程在罕遇地震作用下的弹塑性反应及破坏机制的概念设计要求，本工程是可以满足的，本结构具有较高的承载力和较好的延性，能达到“大震不倒、不严重损坏”的抗震性能目标。

5关键点分析

5.1超楼板温度应力分析

本工程二层楼板南北向最大为115m，东西向最长为100m，符合超长结构的条件，所以需要对楼板在对应的温度作用下进行应力分析。本工程按结构整体升降温25℃考虑温度作用，考虑4.2Mpa的楼面温度应力，由于结构升降温时间较长长、结构后浇带和混凝土徐变等有利影响，温度应力折减系数取0.3。

采取以下应对措施：（1）结构设计时楼板中设置通长钢筋以抵抗温度应力；（2）局部连接薄弱处，楼板根据地震作用下应力进行配筋；（3）温度与地震作用下楼板应力不同时组合，相同位置采用包络值设计。

5.2悬挑转换钢桁架及水平撑分析

由于转换桁架在结构体系的重要性，故使用midas building对结构进行转换桁架内力分析和楼面水平撑内力分析。转换桁架在3~4层按零厚度楼板进行计算分析，在转换桁架上、下弦杆（3、4层）对应楼板设置水平支撑以保证地震作用可靠传递，不考虑楼板作用进行结构分析。计算结果显示，竖向及水平荷载传递路径明确、可靠，保证了关键构件计算的准确度及安全性。

6结论

根据《建筑结构抗震设计规范》的相关规定，我们对本工程进行了相关超限分析，设定了适用于本工程的抗震性能目标，对关键部位采取了对应的加强措施。在进行常规的计算分析之后，采用性能设计法补充计算分析了在对应的中震和大震作用下本工程的反应。其结果可以看出，尽管存在多项不规则项，通过合理的结构布置，对重点部位关键构件采取有针对性的重点加强措施，本工程能满足规范规定的“小震不坏，中震可修，大震不倒” 的抗震设防要求，进一步表明，本工程的结构设计是安全可行的。

参考文献

[1]建筑抗震设计规范:GB50011-2010[S].

[2]高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 3-2010[S].

[3]建筑结构可靠性设计统一标准:GB 50068-2018[S].

（作者单位：江苏省建筑设计研究院股份有限公司）